CN102155905A

CN102155905A - 一种锚杆长度的无损测量装置及方法

Info

Publication number: CN102155905A
Application number: CN 201110074536
Authority: CN
Inventors: 徐钊; 郑红党; 霍羽; 王婷婷; 王子剑
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT; Shanxi Luan Mining Group Co Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102155905B

Abstract

一种锚杆长度的无损测量装置及方法，装置包括单片机、测量频率信号产生器、阻抗匹配电路、与被测锚杆始端相接触的探针，阻抗匹配电路的输出端经峰值检波电路连接有A/D转换器，A/D转换器的输出端与单片机的输入端相连接；通过测量探针与被测金属锚杆始端直接接触发送测试信号，测试信号从被测锚杆的始端进入直至被测锚杆的终端，再由被测锚杆的终端返回被测锚杆的始端，返回的电信号经探针再送回测量仪器，通过改变测试信号的输出频率，测出产生电压最小值的频率节点，即可计算出被测锚杆的长度；对锚杆长度进行在线无损测量，其结构简单、操作方便、测算快速准确、实用可靠、可体积小、功耗低。

Description

一种锚杆长度的无损测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种锚杆长度无损测量方法，尤其是一种适用于金属锚杆的电磁技术的长度无损测量方法。

背景技术

锚杆被广泛应用于地下巷道以及边坡围岩的加固与支护中。如果锚杆的安装长度没有达到设计要求，或使用中锚杆发生断裂等，对锚固质量影响很大。因此，锚杆长度的无损检测非常必要。但是，目前用于锚杆无损检测的方法如超声波法、冲击应力波法等，都存在着振动波与锚杆的耦合问题，操作复杂，测量效果往往因人而异。

运用电磁技术对锚杆进行无损检测，目前包括以下几种方法：（1）穿地雷达法。穿地雷达成功地用于探测混凝土中的钢筋。甚至可以确定钢筋是否锚固完好。其主要的缺陷是消耗功率大且探测深度不够，一般小于１m；（2）自感应法。采用一个线圈套在锚杆外露端头，把锚杆作为线圈的芯。锚杆的长度影响自感应系数的大小，测量自感应系数，可计算出锚杆的长度。该方法实际操作过于复杂，实用意义不大；（3）天线法。1990年南非的Agnew把混凝土中的钢筋看作为一个天线，实验室研究证明，该方法可以成功地测试钢筋的长度，从而也可用于测量金属锚杆的长度（Agnew G D．An investigation of methods for producing a non－destructive grouted tendon tester［J］．Consultancy report，University of Witwatersrand，Johannesburg，１９９０．）。但是天线辐射能量的测量跟信号耦合、环境介质和测量位置关系密切，因此难于实用；（4）相位差法。通过检测入射波与反射波之间的相位差来计算锚杆长度。这种用电波测量金属锚杆的方法，连接耦合较为方便。但是对于长度大多在几米到十几米的锚杆，需要特别高速且精准的时钟，实现起来很困难。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种方法简单、量程大、功耗低、使用方便的锚杆长度无损测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明的锚杆长度无损测量装置，它包括连接有显示器的单片机，单片机的输出端连接有测量频率信号产生器，测量频率信号产生器的输出端连接有阻抗匹配电路，阻抗匹配电路上设有与被测锚杆始端相接触的探针，阻抗匹配电路的输出端经峰值检波电路连接有A/D转换器，A/D转换器的输出端与单片机的输入端相连接；所述的阻抗匹配电路主要由串联为一组的电阻R2和电阻R3和串联为一组的电阻R1和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接；峰值检波电路由二极管D1、电阻R5和电容C1组成，二极管D1的负极与电阻R4连接，二极管D1的的正极分别连接电阻R5、电容C1和A/D转换器的输入端，电阻R5和电容C1与电阻R3连接，并接地；所述的单片机型号为PIC18F6680，所述的测量频率信号产生器的型号为CDCE906，所述的A/D转换器为PIC18F6680内部集成。

3.一种锚杆长度的无损测量锚杆长度方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将探针与被测锚杆的始端相接触；

b、开启电源，使单片机给测量频率信号产生器发送控制信号；

c、测量频率信号产生器以10kHz为步长，顺序发出100kHz到80MHz的测试频率信号，其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3.3V；

d、测试频率信号经阻抗匹配电路和探针从被测锚杆的始端进入，测试频率信号波沿被测锚杆始端向内传输，当测试频率信号波到达被测锚杆的终端后，产生信号反射并在被测锚杆上形成驻波；

e、被测锚杆上形成驻波的电压信号依次经探针、阻抗匹配电路、峰值检波电路和A/D转换器传输至单片机经显示器显示电信号的波长，完成一次锚杆长度无损测量的信号采集；

f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；

g、取产生最小驻波电压的测试频率f，通过公式：L=V/(4f)计算出被测锚杆的长度L；式中：f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。

有益效果：本发明能对金属锚杆长度进行在线无损测量，通过测量探针与被测金属锚杆始端直接接触发送测试信号，测试信号从被测锚杆的始端进入直至被测锚杆的终端，再由被测锚杆的终端返回被测锚杆的始端，由于测量信号为电信号，返回的电信号经探针再送回测量仪器，通过改变测试信号的输出频率，测出产生电压最小值的频率节点，即可计算出埋在岩体中几米到几十米的被测锚杆的长度，并且对测量信号波形没有严格要求，测量使用时与锚杆耦合连接十分方便，符合本质安全要求，便于在煤矿井下环境中使用。其结构简单、操作方便、测算快速准确、实用可靠、可体积小、功耗低，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图。

图1中：1-显示器,2-单片机，3-测量频率信号产生器，4-阻抗匹配电路，5-探针，6-被测锚杆，7-峰值检波电路，8-A/D转换器。

图2是本发明的阻抗匹配电路和峰值检波电路原理结构图。

图3是本发明的被测锚杆长度测试频率波长原理示意图。

图3中：L－被测锚杆的长度，A－被测锚杆的始端，B－被测锚杆的终端，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄－波长。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

图1所示，本发明的锚杆长度无损测量装置主要由显示器1、单片机2、测量频率信号产生器3、阻抗匹配电路4、探针5、被测锚杆6、峰值检波电路7、A/D转换器8构成。其中：单片机2的型号为PIC18F6680，单片机2的输出端与测量频率信号产生器3的输入端连接，测量频率信号产生器3的型号为CDCE906，测量频率信号产生器3的输出端与阻抗匹配电路4的输入端连接，阻抗匹配电路4上连接有探针5，阻抗匹配电路4的输出端与峰值检波电路7的输入端连接，峰值检波电路7的输出端与A/D转换器8的输入端连接，A/D转换器8为PIC18F6680内部集成，A/D转换器8的输出端与单片机2的输入端连接，单片机2的输出端连接有显示器1。

图2所示，阻抗匹配电路4主要由串联为一组的电阻R2和电阻R3和串联为一组的电阻R1和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接，电阻R1一端连接测量频率信号产生器3，电阻R2一端连接探针5；峰值检波电路7由二极管D1、电阻R5和电容C1组成，二极管D1的负极与阻抗匹配电路4中的电阻R4连接，二极管D1的的正极分别连接电阻R5、电容C1和A/D转换器8的输入端，电阻R5和电容C1与阻抗匹配电路4中的电阻R3连接，并接地。

本发明的锚杆长度无损测量方法：

a、将探针5与被测锚杆6的始端A相接触；

b、开启电源，通过单片机2给测量频率信号产生器3发送控制信号；

c、测量频率信号产生器3以10kHz为步长，顺序发出100kHz到80MHz的测试频率信号，其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3.3V；

d、测试频率信号经阻抗匹配电路4和探针5从被测锚杆6的始端A进入，如图3所示，测试频率信号波沿被测锚杆6的始端A向内传输，当测试频率信号波到达被测锚杆6的终端B后，产生电压信号反射波并在被测锚杆6上形成驻波；

e、被测锚杆6上形成驻波的电压信号依次经探针5、阻抗匹配电路4、峰值检波电路7和A/D转换器8传输至单片机2，完成一次被测锚杆长度L测量的信号采集；

f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆6进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；随着测量频率信号的频率不断增加，所产生电信号频率的波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄不断变化；

g、取产生最小驻波电压的测试频率f，根据电磁波驻波原理，当锚杆长度L刚好等于测试信号波长周期的1/4时，锚杆长度等效为终端开路的λ/4传输线，其始端A为电压驻波的节点，如图3所示，为四种测试频率的波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的图形，当锚杆长度L明显大于λ₁/4时，其波长λ₁不满足产生驻波节点条件的波长，当锚杆长度L同样明显大于波长λ₃/4,即L>λ₃/4时，波长λ₃为不满足产生驻波节点条件的波长，当锚杆长度L明显小于波长λ₄/4，即L<λ₄/4时，波长λ₄同样为不满足产生驻波节点条件的波长；而当锚杆长度L等于波长λ₂/4，即 L=λ₂/4时，被测锚杆6的始端A出现电压驻波节点，此时所测得的电压为最小值，波长λ₂所对应的测试频率信号为最小驻波电压的测试频率f，通过公式：L=V/(4f)即可计算出被测锚杆6的长度L；式中：f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。

Claims

1.一种锚杆长度无损测量装置，其特征在于：它包括连接有显示器（1）的单片机（2），单片机（2）的输出端连接有测量频率信号产生器（3），测量频率信号产生器（3）的输出端连接有阻抗匹配电路（4），阻抗匹配电路（4）上设有与被测锚杆（6）始端相接触的探针（5），阻抗匹配电路（4）的输出端经峰值检波电路（7）连接有A/D转换器（8），A/D转换器（8）的输出端与单片机（2）的输入端相连接；所述的阻抗匹配电路（4）主要由串联为一组的电阻R2和电阻R3和串联为一组的电阻R1和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接；峰值检波电路（7）由二极管D1、电阻R5和电容C1组成，二极管D1的负极与电阻R4连接，二极管D1的的正极分别连接电阻R5、电容C1和A/D转换器（8）的输入端，电阻R5和电容C1与电阻R3连接，并接地。

2. 根据权利要求1所述的锚杆长度无损测量装置，其特征在于，所述的单片机（2）型号为PIC18F6680，所述的测量频率信号产生器（3）的型号为CDCE906，所述的A/D转换器（8）为PIC18F6680内部集成。

3.一种如权利要求1所述装置的无损测量锚杆长度方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将探针（5）与被测锚杆（6）的始端相接触；

b、开启电源，使单片机（2）给测量频率信号产生器（3）发送控制信号；

c、测量频率信号产生器（3）以10kHz为步长，顺序发出100kHz到80MHz的测试频率信号f，其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3.3V；

d、测试频率信号经阻抗匹配电路（4）和探针（5）从被测锚杆（6）的始端(A)进入，测试频率信号波沿被测锚杆始端（A）向内传输，当测试频率信号到达被测锚杆（6）的终端（B）后，产生电压信号反射波并在被测锚杆（6）上形成驻波；

e、被测锚杆（6）上形成驻波的电压信号依次经探针（5）、阻抗匹配电路（4）、峰值检波电路（7）和A/D转换器（8）传输至单片机（2），经显示器（1）显示电信号的波长，完成一次锚杆长度无损测量的信号采集；

f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆（6）进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；

g、取产生最小驻波电压的测试频率f，由公式：L=V/(4f)计算得出被测锚杆（6）的长度L；式中：f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。